Исследование влияния ультразвука на синтез нанотрубок TiO2 гидротермальным методом

Введение. В данном исследовании нанотрубки TiO2 были синтезированы гидротермальным методом с предварительной ультразвуковой обработкой в течение двух часов для оценки роли ультразвука в формировании наноструктур. Гидротермальный процесс проводился в течение 4, 6, 8 и 10 ч для выявления изменения морфологии и кристаллических фаз.

Цель и задачи. Целью данного исследования была оптимизация ультразвуково-гидротермального метода синтеза нанотрубок TiO2 путем сокращения времени реакции без ухудшения морфологических и структурных характеристик.

Материалы и методы. Синтезированные образцы были изучены с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для анализа морфологии и размеров, а также с помощью рамановской спектроскопии, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (Фурье-ИК) и рентгеноструктурного анализа (РСА)
для определения фазового состава и кристаллической структуры.

Результаты и обсуждение. Использование ультразвуковой предварительной обработки показало, что полученные нанотрубки имели длину от 808 до 1226 нм и диаметр от 172 до 242 нм. Была зафиксирована последовательная фазовая трансформация: начальная фаза H2TiO3 переходила в промежуточные титанатные фазы (H2Ti3O7 и H2Ti6O13), а затем при увеличении времени реакции происходило образование рутила. Фаза анатаза присутствовала лишь в следовых количествах.

Выводы. Настоящее исследование подчеркивает положительное влияние ультразвуковой предварительной обработки на формирование структуры нанотрубок TiO2 и представляет собой научную основу для оптимизации параметров процесса при получении наноструктурированных материалов на основе TiO2.

1. Wang B., Xue D., Shi Y., Xue F. Titania 1D nanostructured materials: synthesis, properties and applications // Nanorods, nanotubes and nanomaterials research progress. 2008. Pp. 163–201. EDN SRGJZJ.

2. Ubaid F., Naeem N., Shakoor R.A., Kahraman R., Mansour S., Zekri A. Effect of concentration of DOC loaded TiO2 nanotubes on the corrosion behavior of smart coatings // Ceramics International. 2019. No. 45 (8). Pp. 10492–10500. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.02.111

3. Mehmood U., Hussein I.A., Harrabi K., Mekki M.B., Ahmed S., Tabet N. Hybrid TiO2-multiwall carbon nanotube (MWCNTs) photoanodes for efficient dye sensitized solar cells (DSSCs) // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. No. 140. Pp. 174–179. DOI: 10.1016/j.solmat.2015.04.004

4. Ge M., Li Q., Cao C., Huang J., Li S., Zhang S. еt al. One-dimensional TiO2 nanotube photocatalysts for solar water splitting // Advanced science. 2016. No. 4 (1). P. 1600152. DOI: 10.1002/advs.201600152

5. Jafari S., Mahyad B., Hashemzadeh H., Janfaza S., Gholikhani T., Tayebi L. Biomedical applications of TiO2 nanostructures: recent advances // International journal of nanomedicine. 2020. No. 2020 (15). Pp. 3447–3470. DOI: 10.2147/IJN.S249441

6. Raj C.C., Prasanth R. Advent of TiO2 nanotubes as supercapacitor electrode. Journal of The Electrochemical Society. 2018. No. 165 (9). Pp. 345–358. DOI: 10.1149/2.0561809jes. EDN YIVEHJ.

7. Vuong D.D., Tram D.T.N., Pho P.Q., Chien N.D. Hydrothermal synthesis and photocatalytic properties of TiO2 nanotubes // In Physics and Engineering of New Materials. Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2009. No. 127. Pp. 95–101. DOI: 10.1007/978-3-540-88201-5_11

8. Wang D., Zhou F., Liu Y., Liu W. Synthesis and characterization of anatase TiO2 nanotubes with uniform diameter from titanium powder // Materials Letters. 2008. No. 62 (12–13). Pp. 1819–1822. DOI: 10.1016/j.matlet.2007.10.011

9. Cui L., Hui K.N., Hui K.S., Lee S.K., Zhou W., Wan Z.P. еt al. Facile microwave-assisted hydrothermal synthesis of TiO2 nanotubes // Materials Letters. 2012. No. 75. Pp. 175–178. DOI: 10.1016/j.matlet.2012.02.004

10. Victoria Dimas B., Hernández Pérez I., Febles V.G., Arceo L.D.B., Parra R.S., Rivera Olvera J.N. еt al. Atomic-scale investigation on the evolution of TiO2-anatase prepared by a sonochemical route and treated with NaOH // Materials. 2020. No. 13 (3). P. 685. DOI: 10.3390/ma13030685

11. Alkanad K., Hezam A., Al-Zaqri N., Bajiri M.A., Alnaggar G., Drmosh Q.A. еt al. One-step hydrothermal synthesis of anatase TiO2 nanotubes for efficient photocatalytic CO2 reduction // ACS omega. 2022. No. 7 (43). Pp. 38686–38699. DOI: 10.1021/acsomega.2c04211

12. Moreno M., Arredondo M., Ramasse Q.M., McLaren M., Stötzner P., Förster S. еt al. ZnO nucleation into trititanate nanotubes by ALD equipment techniques, a new way to functionalize layered metal oxides // Scientific Reports. 2021. No. 11 (1). P. 7698. DOI: 10.1038/s41598-021-86722-0

13. El-Desoky M.M., Morad I., Wasfy M.H., Mansour A.F. Synthesis, structural and electrical properties of PVA/TiO2 nanocomposite films with different TiO2 phases prepared by sol–gel technique // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. No. 31. Pp. 17574–17584. DOI: 10.1007/s10854-020-04313-7

14. Valeeva A.A., Dorosheva I.B., Sushnikova A.A. Influence of high energy milling on titanium oxide Ti3O5 crystal structure // Hanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023. No. 14 (1). Pp. 107–111. DOI: 10.17586/2220-8054-2023-14-1-107-111. EDN ZWDXYJ.

15. Ramanavicius S., Tereshchenko A., Karpicz R., Ratautaite V., Bubniene U., Maneikis A. еt al. TiO2-x/TiO2-structure based ‘self-heated’sensor for the determination of some reducing gases // Sensors. 2020. No. 20 (1). P. 74. DOI: 10.3390/s20010074

16. Ohtani B., Prieto-Mahaney O.O., Li D., Abe R. What is Degussa (Evonik) P25? Crystalline composition analysis, reconstruction from isolated pure particles and photocatalytic activity test // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2010. No. 216 (2–3). Pp. 179–182. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2010.07.024

17. Dimitrijevic N.M., Saponjic Z.V., Rabatic B.M., Poluektov O.G., Rajh T. Effect of size and shape of nanocrystalline TiO2 on photogenerated charges. An EPR study // The Journal of Physical Chemistry C. 2007. No. 111 (40). Pp. 14597–14601. DOI: 10.1021/jp0756395

18. Liao M.H., Hsu C.H., Chen D.H. Preparation and properties of amorphous titania-coated zinc oxide nanoparticles // Journal of Solid State Chemistry. 2006. No. 179 (7). Pp. 2020–2026. DOI: 10.1016/j.jssc.2006.03.042

19. Niu L., Zhao X., Tang Z., Lv H., Wu F., Wang X. еt al. Difference in performance and mechanism for methylene blue when TiO2 nanoparticles are converted to nanotubes // Journal of Cleaner Production. 2021. No. 297. P. 26498. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126498

20. Mino L., Spoto G., Ferrar A.M. CO2 capture by TiO2 anatase surfaces: a combined DFT and FTIR study // The Journal of Physical Chemistry C. 2014. No. 118 (43). Pp. 25016–25026. DOI: 10.1021/jp507443k